高速公路改擴建工程裝配式擋墻成套技術研究

林高山

(中鐵二十五局集團第一工程有限公司 廣東廣州 510405)

1 引言

在公路工程施工過程中，不可避免遇到大量路堤邊坡施工，為確保邊坡穩定性，傳統做法有漿砌片石或片石混凝土重力式擋墻、加筋土擋墻、樁基立柱錨拉式擋墻等。張金安等[1]對重力式擋墻的穩定性與地基承載力進行了研究。相關學者也對加筋土擋墻、樁基立柱錨拉式擋墻受力特點和變形規律進行了系統性研究[2-6]。傳統擋墻施工周期長、材料消耗高、占地面積大，缺點顯著，尤其雨季施工時，還存在基坑坍塌的風險。傳統的擋墻類型已經無法適應現代交通建設發展的需求，迫切需要新型支擋結構。

裝配式擋墻具備輕型化、標準化與裝配化的特性，能較好地解決傳統擋墻的缺陷，國內外相關學者也對裝配式擋墻的設計與施工開展了研究。焦曉兵[7]分析了裝配式建筑行業發展現狀和前景探討。曾向榮[8]提出部分預制裝配式扶壁擋土方案，擋土墻基礎為現澆施工，墻面板和肋板采用預制安裝。紀文利等[9]提出采用全預制裝配式扶壁擋土墻，底板、墻面板以及肋板均提前預制，待地基處理完成之后直接進行拼裝，有效縮短施工工期。段鐵錚[10]分析了裝配式擋土墻標準化存在的一系列問題，建議對已有擋土墻工程實例進行分析、歸納，根據擋土墻所受荷載及截面尺寸劃分等級。方勇剛等[11]在3D打印新型裝配式擋土墻模型基礎上研究了結構裝配方案，發現采用3D打印方式優化裝配方案具有效率高且成本低的優點。劉步景等[12]研究了裝配式擋墻結構的設計與布置原則，提出從標準長度與非標準長度結構段的匹配角度降低裝配施工難度，提高裝配效率。

因裝配式擋墻相關研究還不夠成熟，特別是對于超高(6.25～8 m)裝配式擋墻的設計與施工尚在探索階段。本文以深汕西高速公路改擴建工程為例，研究裝配式擋墻的設計選型和施工關鍵技術，以便對類似工程的設計與施工提供參考。

2 工程概況

深汕西高速公路改擴建工程，施工范圍涉及生態保護區，水資源保護區且穿過城鄉密集區，地形復雜多變，農保地資源貧乏，土地資源尤為珍貴。施工期間既要保證現有高速公路暢通運營，又要快速完成擴建任務，工期壓力極大。因此，擋墻設計選型和施工技術研究顯得尤為重要，經多次研究，一期工程設計擬采用裝配式擋墻，擋墻總長度5 115 m，墻高2～8 m。

3 裝配式擋墻的設計選型及力學性能試驗

3.1 裝配式擋墻的設計選型

根據本改擴建工程特點，需要選擇占地少、地基承載力要求低、構件單元重量輕、便于運輸和安裝的擋墻。經綜合研究分析，最終選定懸臂式和扶壁式擋墻。結合現場地形變化情況，為便于標準化、工廠化預制施工和提高模板使用周轉率，將裝配式擋墻高度設計為每0.25 m一個梯級。裝配式擋墻按照支擋高度，分為三種形式:

第一種為整體預制懸臂式擋墻(見圖1)，單件長度3 m，單件最大重量10.53 t，適用于支擋高度2～3 m低填方路堤。

圖1 懸臂式擋墻

第二種整體預制扶壁式擋墻(見圖2)，單件最大重量達20 t左右，有主副兩種扶壁，單件長度3 m，適用于支擋高度3.25～6 m路堤。

圖2 扶壁式擋墻

第三種為組合扶壁式擋墻(見圖3)，適用于支擋高度達到6.25～8 m路堤。考慮若仍采用整體扶壁式，單件重量大，給預制和吊裝都帶來困難，運輸也會帶來超高超寬的風險，失去了輕型便捷的優勢。經研究優化，單件長度采用2 m，面板與扶壁作為整體預制，重量約20 t左右，底板單獨預制，重量約16 t左右。

圖3 組合扶壁式擋墻

選定的三種裝配式擋墻結構特點見表1。

表1 裝配式擋墻結構對比

3.2 裝配式擋墻力學性能試驗

三種形式的裝配式擋墻設計采用C50鋼筋混凝土預制，組合扶壁式擋墻濕接縫采用C40混凝土。通過力學性能試驗(見圖4)驗證裝配式擋墻結構承載力情況，結果如下:

圖4 裝配式擋墻力學性能試驗

(1)懸臂式擋墻在正常使用工況下，結構未出現開裂，滿足正常使用要求；面板頂部水平位移不超過3.0 mm，結構具有較好穩定性；結構承載能力極限為800 kN，安全系數800/110＝7.27。在破壞模式下，倒角處最先出現初裂縫，并從中間往四周端部發展；當荷載逐漸增大，倒角內主裂縫出現并迅速開展，倒角內斜鋼筋和面板豎向受拉鋼筋應力迅速增加，先后進入屈服狀態；此時，混凝土壓應變達到1 300，換算混凝土名義壓應力為44.85 MPa，接近混凝土極限壓應力，構件進入極限狀態。

(2)整體扶壁式擋墻在正常使用工況下，結構未出現開裂，滿足正常使用要求；面板頂部水平位移不超過10.0 mm，結構具有較好穩定性；結構承載能力極限為780 kN，安全系數780/310＝2.52。在破壞模式下，首裂縫從主肋板倒角出現，隨著荷載的增加，肋板轉角處裂縫迅速開展，并向底板延伸；肋板轉角處受拉鋼筋應力迅速增加，進入屈服狀態，構件進入極限狀態，此時面板混凝土名義壓應力僅20.7 MPa，尚未達到混凝土極限壓應力狀態。

(3)組合扶壁式擋墻在正常使用工況下，結構未出現開裂，符合正常使用要求；面板頂部水平位移不超過2.0 mm，結構具有較好穩定性；結構承載能力極限為1 642 kN，安全系數1 640/330＝4.97。在破壞模式下隨著外荷載的增加，底板與現澆塊之間的濕接縫不斷脫開，底板豎向連接鋼筋相繼進入屈服狀態；肋板倒角處裂縫向面板方向延伸，肋板斜鋼筋和橫向連接鋼筋相繼進入屈服狀態，結構進入極限狀態，此時面板混凝土壓應變僅800，換算混凝土名義壓應力27.6 MPa，尚未達到混凝土極限壓應力狀態。

4 裝配式擋墻施工關鍵技術

4.1 智能生產線設計

為提高智能化性能，參考了地鐵項目的管片生產基地，生產線整體按照1＋2線制布置，優化了走行軌道設計，提高門吊的使用效率。節拍控制為30 min，作業線工位4個，即脫模＋清模涂油＋鋼筋安裝＋頂模安裝，澆筑工位1個，抹面工位1個。

模具使用鋼模，為方便脫模，合理設置了拔模角度。擋墻模板設置尺寸可調節，滿足多種高度擋墻共用一套模板，提高周轉使用率，減少模板投入。模板側模可翻轉，減少模板安拆工序，提高施工效率。

鋼筋加工使用智能裁剪生產線下料，數控彎曲機折彎成型，在定型胎架上綁扎。

混凝土振搗采用大型振動平臺(見圖5)，振動頻率及幅度可無級調整，極大地提高了生產效率。橫向振動臺有3組共6個電機組成，每個電機激振力 30 kN；中間1組振動臺共6個電機，每個電機激振力15 kN。

圖5 大型振動平臺

通過設計規模化、工廠化、自動化的智能生產線，使生產效率提高了4倍。

4.2 預制施工

(1)確定構件類型及數量

每段裝配式擋墻構件預制前，對該段實際地形進行勘測，根據實際地形確定預制構件的類型和數量。

(2)構件混凝土澆筑

混凝土振搗采用振動臺振動模式，且輔以振動棒和附著式振動儀器，振動器布置和振搗時間嚴格遵照首件工程總結參數執行。

預埋件和預留鋼筋的外露部分采取套裝PVC管、刷水泥漿等防污染措施。

(3)構件收面和養護

混凝土初凝、光面處理后帶模構件轉入蒸汽養護室養護。

(4)確定蒸汽房最優指標

在已定養護時間及濕度條件下，觀測不同溫度下的混凝土強度值；再通過已定溫度及濕度下，觀測不同時間下的混凝土強度值。根據試驗數據，綜合考慮工效和經濟，最終確定蒸養時間5 h，蒸養溫度55℃，蒸養濕度90%RH。

4.3 構件吊裝及運輸

構件采用吊環吊裝方式，吊繩與構件的交角小于60°時，應設置吊架或起吊扁擔，使吊環豎直受力。

預制構件強度達到設計值的90%以上，方可進行吊裝施工，運輸過程中采用有效緩沖手段，防止運輸過程中構件破壞。

4.4 構件安裝及連接

裝配式擋墻安裝前先通過觸探試驗驗證地基承載力是否達到設計要求，當承載力不滿足設計所需承載力時，必須先實施軟基處理。

懸臂式擋墻及整體扶壁式擋墻安裝時與抗滑塊一一對應，縫隙對齊(見圖6)。組合扶壁式擋墻須先安裝底板，后吊裝墻身(見圖7)，在鋼筋未焊接完成以前，設備不允許脫鉤，根據現場情況可增加臨時支擋措施。

圖6 懸臂式安裝

圖7 組合扶壁式安裝

在裝配式擋墻連接方面，可采用焊接、螺栓角鋼連接、整體澆筑式和錨栓連接等多種方式。本項目采用預埋鋼件、螺栓連接。

5 沉降、位移監控

監控以擋墻沉降及整體穩定性作為主要指標，同時輔以局部穩定性監控手段。每路段至少設置前中后3個檢測斷面，超過100 m加密監控斷面。

沉降計埋設在地基內部，位移計一端錨固在墻后填土，另一端錨固在擋墻表面。擋墻發生錯位時，也可以通過測縫儀量測擋墻水平和豎直位移大小。

根據試驗段測量數據繪制累計沉降數據曲線，結果顯示監控路段填土前后最大沉降4.4 mm，最大沉降速率1.75 mm/d，滿足要求。

6 結語

本文以深汕西高速公路改擴建工程為例，針對不同墻高的受力特征，并結合生產、運輸、安裝條件，研發了具有輕型化、標準化、機械化特點的三種裝配式擋墻的成套技術，環保高效，取得了良好的效果，可為其他類似工程提供參考。